MODUL PRAKTIKUM LABORATORIUM INSTRUKSIONAL TEKNIK KIMIA FLUIDISASI [FLU] Disusun oleh: Henny Susanty Dr. Antonius Indarto Dr. Mubiar Purwasasmita Dr. Ardiyan Harimawan PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2014
DAFTAR ISI DAFTAR ISI... 2 DAFTAR GAMBAR... 3 DAFTAR TABEL... 4 BAB I PENDAHULUAN... 5 BAB II TUJUAN DAN SASARAN PERCOBAAN... 6 2.1 Tujuan Percobaan... 6 2.2 Sasaran Percobaan... 6 BAB III RANCANGAN PERCOBAAN... 7 3.1 Peralatan Percobaan... 7 3.2 Bahan Percobaan... 10 BAB IV PROSEDUR KERJA... 11 4.1 Penentuan Densitas Partikel... 11 4.2 Kalibrasi Rotameter dengan Wet Test Meter... 13 4.3 Operasi Peralatan SOLTEQ... 13 4.4 Operasi Peralatan Gas... 14 DAFTAR PUSTAKA... 16 LAMPIRAN... 17 A. TABEL DATA MENTAH... 17 B. PROSEDUR PERHITUNGAN... 19 C. DATA SPESIFIKASI DAN LITERATUR... 21 FLU 2
DAFTAR GAMBAR Gambar 3.1 Skema Peralatan Sistem Padat-Gas... 7 Gambar 3.2 Skema Peralatan SOLTEQ... 8 Gambar 3.3 Skema Peralatan Cair... 9 Gambar 4.1 Diagram Alir Penentuan Densitas... 12 Gambar 4.2 Diagram Alir Kalibrasi Rotameter... 13 Gambar 4.3 Diagram Alir Penentuan Karakteristik... 15 FLU 3
DAFTAR TABEL Tabel 6.1 Densitas dan Viskositas Air... 21 Tabel 6.2 Densitas dan Viskositas Udara... 21 Tabel 6.3 Diameter Ayakan... 21 FLU 4
BAB I PENDAHULUAN 1 adalah metode pengontakan butiran-butiran padat dengan fluida, baik cair maupun gas. Butiran padat akan mengalami total gaya akibat fluida apabila terjadi gerak relatif antara permukaan butiran dan fluida. Pada laju alir fluida yang cukup rendah, aliran fluida hanya menerobos unggun butiran padat melalui celah antar partikel tanpa menyebabkan perubahan susunan partikel (keadaan fixed bed). Ketika laju alir fluida ditingkatkan hingga kecepatan tertentu, unggun butiran padat yang semula diam akan terekspansi. Pada kondisi demikian, sifat unggun akan menyerupai fluida dengan viskositas tinggi, misalnya adanya kecenderungan untuk mengalir, mempunyai sifat hidrostatik dan sebagainya. Keadaan ini disebut sebagai fluidisasi minimum. Pada laju alir fluida tinggi, partikel padat dapat terbawa aliran fluida dan meninggalkan kolom. Fenomena fluidisasi dapat dipengaruhi oleh berbagai faktor, diantaranya laju alir dan jenis fluida, ukuran dan densitas partikel, bentuk dan jenis partikel, faktor interlok partikel, porositas dan tinggi unggun, distribusi aliran dan bentuk ukuran fluida, dan diameter kolom. Faktor-faktor tersebut merupakan variabel dalam proses fluidisasi yang akan menentukan karakteristik proses fluidisasi. Karakteristik unggun terfluidakan dapat digambarkan dengan kurva karakteristik fluidisasi. Dalam dunia industri, fluidisasi diaplikasikan dalam berbagai hal. Diantaranya dalam transportasi serbuk padatan (converyor untuk solid), pencampuran padatan halus, perpindahan panas (seperti pendinginan untuk biji alumina panas), pelapisan plastik pada permukaan logam, proses drying dan sizing pada pembakaran, proses pertumbuhan partikel dan kondensai bahan yang dapat mengalami sublimasi, adsorpsi (untuk pengeringan udara dengan adsorben), dan masih banyak aplikasi lain. cair merupakan salah satu operasi pemisahan yang digunakan untuk memisahkan partikel spheris dan non-spheris. Partikel spheris memiliki penggunaan yang luas dalam industri, terutama dalam industri perminyakan untuk menjaga agar gesekan antara mata bor dan permukaan batuan tetap minimum. FLU 5
BAB II TUJUAN DAN SASARAN PERCOBAAN 2 2.1 Tujuan Percobaan Praktikum ini dilakukan dengan tujuan untuk menentukan karakteristik proses fluidisasi gas dan cair 2.2 Sasaran Percobaan Berkaitan dengan tujuan tersebut, pada akhir praktikum, praktikan diharapkan dapat : 1. Menentukan kecepatan minimum fluidisasi gas, 2. Menentukan fenomena yang terjadi pada proses fluidisasi gas, 3. Menentukan besarnya hilang tekan unggun serta hubungannya laju alir fluida, 4. Menentukan variabel-variabel yang berpengaruh terhadap hidrodinamika unggun terfluidakan, 5. Menentukan kecepatan partikel serta laju alir superfisial cairan pada keadaan terminal fluidisasi cair, 6. Menentukan laju alir superfisial fluidisasi minimum untuk fluidisasi cair, dan 7. Menentukan efisiensi pemisahan pada fluidisasi cair. FLU 6
BAB III RANCANGAN PERCOBAAN 3 3.1 Peralatan Percobaan Peralatan utama yang digunakan selama praktikum ini meliputi : 1. Satu set peralatan fluidisasi sistem padat-gas (Gambar 3.1) 2. Satu set peralatan fluidisasi SOLTEQ (Gambar 3.2) 3. Satu set peralatan fluidisasi fasa cair (Gambar 3.3) 4. Sumber fluida bertekanan beserta kompresor Gambar 3.1 Skema Peralatan Sistem Padat-Gas Keterangan: D : distributor KD : kerangan diafragma KER : kerangan KJ : kerangan jarum KOL : kolom M1 : manometer tabung Bourdon untuk mengukur tekanan gas keluar M2 : manometer tabung Bourdon untuk mengukur tekanan dalam tangki TGN : sumber fluida bertekanan MU1 : manometer pipa U berisi air untuk mengukur tekanan gas antara 1-2 FLU 7
MU2 : manometer pipa U berisi air untuk mengukur tekanan gas antara 1-udara luar R : flowmeter U : unggun butiran padat Gambar 3.2 Skema Peralatan SOLTEQ Deskripsi alat : 1. Tangki penampung air (B1) 2. Pompa sirkulasi (P1) 3. Kolom fluidisasi (K1 dan K2) 4. Water differential pressure transmitter (DPT 101) 5. Air differential pressure transmitter (DPT 102) 6. Pengukur laju alir digital (FT 201 dan FT 202) 7. Kompresor (P2) Kode alat Deskripsi Satuan Rentang data FT 201 Water flow meter L/min 0,2-2,5 FT 202 Air flow meter L/min 2-50 DPT 101 Water differential pressure transmitter bar 0-0,1 DPT 102 Air differential pressure transmitter kpa 0-5 FLU 8
Keterangan P : pompa Kol : kolom fluidisasi Par : partikel FO : aliran keluaran GtV : gate valve GbV : globe valve (by pass) GbO : globe valve (pembuangan) Gambar 3.3 Skema Peralatan Cair Peralatan pendukung yang digunakan antara lain sebagai berikut. 1. Wet test meter untuk kalibrasi flowmeter dalam rangkaian peralatan fluidisasi sistem padat-gas 2. Piknometer 3. Timbangan 4. Stopwatch 5. Ayakan 6. Gelas kimia 7. Gelas ukur 8. Termometer 9. Penggaris dan/atau jangka sorong 10. Sendok 11. Mortal dan alu FLU 9
3.2 Bahan Percobaan Bahan yang digunakan dalam percobaan ini meliputi : 1. Aqua dm 2. Aseton 3. Tipol 4. Air keran 5. Udara bertekanan 6. Butiran padat sebagai unggun FLU 10
BAB IV PROSEDUR KERJA 4 Pelaksanaan praktikum dapat dibagi menjadi 2 tahap, yaitu tahap persiapan dan tahap operasi. 1. Tahap persiapan, meliputi a. Penentuan densitas partikel padatan dengan piknometer b. Penentuan densitas dan viskositas fluida cair c. Penentuan dimensi kolom dengan penggaris atau jangka sorong d. Penentuan ukuran partikel padatan dengan analisa ayakan 2. Tahap operasi, meliputi a. Penentuan turun tekan dalam kolom berisi unggun partikel pada berbagai laju alir serta pengamatan terhadap fenomena yang terjadi pada fluidisasi gas b. Penentuan kecepatan minimum fluidisasi gas dan cair c. Penentuan efisiensi pemisahan fluidisasi gas Laju alir fluida divariasikan dari kecepatan rendah hingga suatu keadaan dimana penorakan di dalam unggun sudah tampak menyolok. Dari titik ini laju alir fluida kemudian diturunkan kembali secara perlahan-lahan hingga mencapai titik terendah dimana operasi dimulai. 4.1 Penentuan Densitas 4.1.1 Kalibrasi Piknometer 1. Piknometer kosong yang bersih ditimbang 2. Piknometer diisi dengan aqua dm hingga meluap, kemudian ditimbang 3. Suhu aqua dm diukur dengan termometer 4. Densitas aqua dm pada temperatur tersebut dicari dari literatur 5. Volume piknometer ditentukan berdasarkan massa aqua dm dan densitas aqua dm berdasarkan literatur 4.1.2 Penentuan Densitas Cairan 1. Piknometer yang sama dicuci dengan aseton dan dikeringkan FLU 11
2. Piknometer kosong ditimbang 3. Air keran dimasukkan dalam piknometer hingga meluap, kemudian ditimbang sehingga diperoleh massa air keran 4. Densitas air keram ditentukan berdasarkan massa tipol dan volume piknometer 4.1.3 Penentuan Densitas Padatan 1. Piknometer yang sama dicuci dengan aseton dan dikeringkan 2. Piknometer kosong ditimbang 3. Tipol dimasukkan dalam piknometer hingga meluap, kemudian ditimbang sehingga diperoleh massa tipol 4. Densitas tipol ditentukan berdasarkan massa tipol dan volume piknometer 5. Piknometer yang sama dicuci dan dikeringkan, 6. Piknometer diisi dengan partikel padatan hingga setengah penuh dan ditimbang sehingga diperoleh massa partikel 7. Piknometer diisi dengan tipol hingga penuh kemudian ditimbang untuk mengetahui massa tipol dalam campuran partikel dan tipol Gambar 4.1 Diagram Alir Penentuan Densitas FLU 12
4.2 Penentuan Viskositas Fluida Cair 1. Masukkan aqua dm dalam viskometer 2. Hitung waktu untuk menepuh jarak tertentu 3. Ulangi untuk air keran 4.3 Kalibrasi Rotameter dengan Wet Test Meter 1. Kolom fluidisasi dipastikan kosong dan seluruh selang terhubung dengan baik. 2. Kompresor dihubungkan ke rotameter dan selang dari aliran gas dihubungkan ke alat wet test meter. 3. Skala rotameter diubah-ubah dari 0 sampai 6 4. Waktu untuk wet test meter menunjukkan skala 1 liter diukur dengan stopwatch. Ukur diameter kolom Hitung luas penampang kolom Hitung laju alir Variasikan skala rotameter dari 0 hingga 6 Hubungan kompresor, rotameter, dan wet test meter Alirkan udara tekan Catat waktu untuk 1 liter Buat kurva laju alir terhadap skala rotameter Gambar 4.2 Diagram Alir Kalibrasi Rotameter 4.4 Operasi Peralatan SOLTEQ 4.4.1 Prosedur Operasi Umum Prosedur Start-Up 1. Isi tangki penampung air B1 dengan air bersih. 2. Pindahkan penutup kolom secara hati-hati. 3. Isi kolom dengan sampel sampai ketinggian tertentu. 4. Tutup kembali penutup kolom secara hati-hati. Pastikan o-rings terpasang dengan baik. 5. Tempatkan kolom pada penahan dan kencangkan baut pengait. Setelah itu pastikan kolom nya kokoh. FLU 13
Prosedur Shut-Down 1. Matikan kedua pompa (P1 dan P2). 2. Kosongkan kolom (K1) dan tangki penampung air (K2) 3. Bersihkan sampel dari peralatan. 4. Putus sambungan listrik ke alat. 4.4.2 Penentuan Karakteristik sistem padat-cair 1. Isi kolom dengan partikel padat hingga ketinggian tertentu 2. Sambungkan rangkaian selang 3. Pastikan kolom K1 terisi air dan tidak ada gelembung dalam selang 4. Nyalakan pompa P1 dan atur bukaan valve FT201 untuk mengatur laju alir 5. Catat laju alir dan pembacaan water differential pressure transmitter (DPT 101) 6. Amati fenomena yang terjadi selama proses fluidisasi 7. Ulangi untuk variasi lain sistem padat-gas 1. Isi kolom dengan partikel padat hingga ketinggian tertentu 2. Sambungkan rangkaian selang 3. Pastikan semua valve tertutup rapat 4. Nyalakan kompresor P2 dan atur bukaan valve FT202 untuk mengatur laju alir 5. Catat laju alir dan pembacaan air differential pressure transmitter (DPT 102) 6. Amati fenomena yang terjadi selama proses fluidisasi 7. Ulangi untuk variasi lain 4.5 Operasi Peralatan Gas 4.5.1 Penentuan Karakteristik 1. Isi kolom dengan partikel padat hingga ketinggian tertentu 2. Sambungkan rangkaian selang 3. Buka valve dan nyalakan kompresor 4. Atur skala rotameter 5. Catat skala rotameter dan beda tinggi pada manometer 6. Amati fenomena yang terjadi selama proses fluidisasi, ulangi untuk variasi lain FLU 14
Partikel padat dengan diameter dan densitas tertentu Isi dalam kolom fluidisasi dengan ketinggian tertentu Catat beda tinggi pada manometer atau pembacaan DPT01/DPT02 Tentukan nilai turun tekan teramati Hitung turun tekan unggun Alirkan fluida Atur laju alir fluida Catat laju alir Buat kurva karakteristik fluidisasi (log ΔP terhadap log u) Amati fenomena yang terjadi Gambar 4.3 Diagram Alir Penentuan Karakteristik 4.5.2 Penentuan Kecepatan Minimum 1. Masukkan partikel ke dalam kolom berisi fluida yang mengalir 2. Atur laju alir sedemikian sehingga pertikel melayang dalam aliran air 4.6 Operasi Peralatan Cair 4.6.1 Penentuan Efisiensi Pemisahan Cair 1. Aliri kolom dengan fluida, hitung waktu untuk mengisi volume tertentu sehingga diperoleh laju alir 2. Isi kolom dengan campuran partikel (komposisi tertentu) 3. Alirkan fluida dengan kecepatan tertentu (konstan) dengan waktu pemisahan tertentu 4. Pisahkan produk atas, timbang 5. Buka valve buangan, saring produk bawah yang keluar, timbang 4.6.2 Penentuan Kecepatan Terminal Partikel 1. Masukkan partikel ke dalam kolom berisi air 2. Laju air diatur sedemikian sehingga waktu tempuh partikel untuk jarak yang sama selalu konstan 4.6.3 Penentuan Kecepatan Superficial Minimum Cair 3. Masukkan partikel ke dalam kolom berisi air yang mengalir 4. Valve diatur sedemikian sehingga pertikel melayang dalam aliran air 5. Hitung waktu untuk mengisi volume tertentu sehingga diperoleh laju alir FLU 15
5 DAFTAR PUSTAKA Geankoplis, Christie. 1993. Transport processes and Unit Operation, New Jersey : Prentice Hall Fee, C.J., 1994. A Simple but Effective Fluidized-Bed Experiment, Chem. Eng. Educ. pp. 214-217 Kunii, D., and Levenspiel, O. 1991. Fluidization Engineering, Boston : Butterworth- Heinemann, FLU 16
6 LAMPIRAN A. TABEL DATA MENTAH 1. Penentuan densitas dan viskositas Kalibrasi Massa piknometer kosong gram Massa piknometer + aqua dm gram Temperatur ºC Penentuan densitas air keran Massa piknometer + air keran Penentuan densitas partikel Massa piknometer + tipol Massa piknometer + partikel Massa piknometer + partikel + tipol Penentuan viskositas air keran Waktu tempuh aqua dm Waktu tempuh air keran gram gram gram gram detik detik 2. Kalibrasi rotameter Diameter kolom cm Skala rotameter waktu (s) FLU 17
3. Penentuan Karakteristik Fludisasi Gas Peralatan SOLTEX Variasi : Laju alir (L/min) ΔP (Pa) L(cm) Fenomena teramati up down up down up down up down Peralatan Gas Variasi : Skala rotameter Δh (Pa) L(cm) Fenomena teramati up down up down up down up down 4. Penentuan Kecepatan Superficial Minimum Cair Data Skala rotameter 1 2 3 5. Penentuan Efisiensi Pemisahan Cair Massa (gram) Komposisi Umpan produk atas produk bawah Volum air (L) waktu (s) 6. Penentuan Kecepatan Terminal Partikel Data Jarak (cm) Waktu (s) 1 2 3 FLU 18
7. Penentuan Kecepatan Superficial Minimum Cair Data Volume (L) Waktu (s) 1 2 3 B. PROSEDUR PERHITUNGAN 1. Penentuan diameter partikel d p d p 1 p 2 2 d dengan d p1 dan d p2 merupakan ukuran mesh, dimana mesh yang lebih kecil meloloskan partikel sedangkan mesh yang lebih besar tidak. 2. Penentuan densitas partikel m aqua dm V piknometer = [m piknometer + aqua dm ] m piknometer kosong = m aqua dm ρ aqua dm m tipol V tipol ρ tipol = [m pikno + tipol] m pikno kosong = V piknometer = m tipol V tipol m partikel m tipol V tipol V partikel ρ partikel = [m piknometer + partikel ] m piknometer kosong = [m piknometer + partikel+ tipol ] m piknometer + partikel = m tipol ρ tipol = V piknometer V tipol = m partikel V partikel 3. Penentuan viskositas air keran ρ t μ = μ o ρ o t o FLU 19
4. Kalibrasi rotameter A kolom = laju alir (v) = 1 4 π d kolom 2 V A kolom. t 5. Penentuan void fraction V unggun = A penampang x L V partikel ε = m p ρ p = V unggun V partikel V unggun 6. Penentuan bilangan Reynold Re mf = ρ f x u mf x d p μ f Asumsi Wen Yu 3 1 d. U. d. ( ) g p m f g 2 p g s g 2 [ ( 3 3, 7 ) 0, 0 4 0 8 ] 3 3, 7 2 7. Penentuan kecepatan minimum fluidisasi a. Persamaan Ergun Untuk laminer (Re < 20) U mf 2 3 (. d ) ( ) g. s p s g m f 1 5 0 (1 ) mf Untuk turbulen (Re > 1000) U mf 2 = d p ( P s P g )g ε mf 3 1,75 P g b. Persamaan Wen Yu U mf d 2 ( ) g p s g 1650 g FLU 20
8. Penentuan efisiensi pemisahan η pemisahan = m produk atas m umpan x 100 % C. DATA SPESIFIKASI DAN LITERATUR 1. Densitas dan Viskositas Air Tabel 6.1 Densitas dan Viskositas Air T ( C) ρ (kg/m 3 ) μ (cp) 20 998,23 1,0050 25 997,08 0,8937 30 995,68 0,8007 Sumber: Geankoplis (1993) 2. Densitas dan Viskositas Udara Tabel 6.2 Densitas dan Viskositas Udara T ( C) ρ (kg/m 3 ) μ x 10 5 (Pa.s) 0 1,293 1,72 10 1,246 1,78 37,8 1,137 1,90 Sumber: Geankoplis (1993) 3. Diameter Mesh Ayakan Tabel 6.3 Diameter Ayakan No. Mesh d (μm) 20 833 35 417 48 295 65 208 100 147 Sumber : Kunii dan Levenspiel (1991) FLU 21